УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЛИЯНИЙ НА ЛИНИИ СВЯЗИ Российский патент 2002 года по МПК B60M3/00 H02J3/01 

Устройство относится к области электрифицированных дорог и может быть использовано для уменьшения влияния электротяговой сети на смежные линии связи.

Как известно, тяговая сеть как однопроводная линия с возвратом тока через землю, практически полностью несимметрична. В результате этого токи, протекающие в тяговой сети железных дорог, электрифицированных как по системе переменного тока, так и по системе постоянного, оказывают мешающее влияние на смежные с ней воздушные и кабельные линии связи, радиовещания, телеуправления и т.д. Существующие способы снижения влияний делятся на пассивные и активные [1]. Известно также, что помехи в линиях связи, обусловленные магнитным влиянием и электромагнитными процессами в тяговой сети, определяются высшими гармоническими составляющими спектра тягового тока.

Известно устройство для снижения электромагнитных влияний на смежные линии связи при электрификации как на переменном, так и на постоянном токе промышленной частоты [2]. Оно содержит влияющую контактную сеть и линию связи, в которой наводится электромагнитным путем помеха от высших гармоник тягового тока, протекающего по контактной сети. В устройстве имеются также датчик уровня помехи, эквивалент линии, селектор помехи, регулятор коэффициента усиления, инвертирующий усилитель, регулируемый источник тока и защитный экранирующий провод.

Особенностью селекторов данного устройства является то, что они запирают низшие гармоники (первую, третью, пятую), не оказывающие заметного мешающего влияния на линии связи, и пропускают высшие гармоники (седьмую и выше), т.е. являются фильтрами высоких частот.

Сигнал на выходе селектора тягового тока, являющийся суммой высших гармоник тягового тока, сравнивается регулятором коэффициента усиления с сигналом на выходе селектора помехи, представляющим собой сумму высших гармоник помехи в линии связи. Если сравниваемые сигналы не одинаковы, то на выходе регулятора коэффициента усиления формируется сигнал рассогласования, представляющий собой напряжение постоянного тока, величина которого пропорциональна сигналу рассогласования. Усилитель сдвигает эту сумму гармонических составляющих на 180 эл. градусов и изменяет ее амплитуду в зависимости от сигнала рассогласования. Далее эта сумма гармоник усиливается в регулируемом источнике тока и (в противофазе по отношению к тяговому току) поступает в защитный экранирующий провод. Таким образом, суммарное электромагнитное поле высших гармоник от тягового тока в контактной сети и от тока в экранирующем проводе снижается, что уменьшает уровень помехи в линии связи.

Таким образом, данное устройство осуществляет компенсацию индуктивного влияния высших гармоник тягового тока за счет изменения (регулирования) амплитуды сигнала в защитном экранирующем проводе.

Известное устройство-аналог обладает следующими недостатками.

1. Принцип действия устройства основан на том, что из сигнала тягового тока в селекторе тягового тока выделяется только сумма гармоник, оказывающих наибольшее псофометрическое воздействие. Затем сигнал, полученный таким образом, усиливается в инвертирующем усилителе до необходимой величины и затем должен сдвигаться по фазе на 180 эл.градусов по отношению к току контактной сети.

Известно, однако [3], что коэффициент усиления усилителя при изменении частоты сигнала изменяется по модулю, поэтому отдельные гармонические, составляющие сигнал, подаваемый на вход усилителя, усиливаются им неодинаково и сдвигаются на различный угол. Эти причины приводят к искажению формы выходного сигнала. В результате выходной сигнал в инвертирующем усилителе не повторяет форму входного сигнала и не является по отношению к нему инверсным.

2. Известно, что экранирующий провод обладает распределенным активно-реактивным импедансом, что определяет его как линию с частотно-фазовой и амплитудно-частотной зависимостью. Как известно, реактивное сопротивление с ростом частоты изменяется, следовательно, каждая гармоника, поступающая в экранирующий провод через усилитель, сдвигается по фазе и изменяется по амплитуде. Это приводит к тому, что форма сигнала в экранирующем проводе не соответствует форме сигнала в контактной сети, а угол между сигналами отличен от 180 эл.градусов.

3. Известно также [4], что трансформатор тока, используемый в качестве датчика тягового тока, обладает нелинейной частотно-фазовой зависимостью, а значит вносит дополнительный фазовый сдвиг в усиливаемый сигнал.

Описанное устройство-аналог полностью выполняет свою функцию (обеспечивает протекание в экранирующем проводе такого тока, в котором содержание и амплитуда высших гармоник соответствует току контактной сети, а их фазы сдвинуты на 180 эл.градусов по отношению к эквивалентным гармоникам тока контактной сети) только в том случае, если само устройство, т.е. инвертирующий усилитель, контур экранирующий провод-земля, датчик тягового тока не вносят собственных амплитудных и фазовых искажений. Как было показано, на самом деле усилитель, контур "провод-земля", датчик тягового тока такие искажения вносят, поэтому защитный эффект устройства-аналога за этот счет ухудшается тем сильнее, чем больше отдаваемая устройством мощность.

Как показали опыты, устройство-аналог имеет эффективные защитные свойства при наличии в тяговом токе высших гармоник до 9-11 включительно. В то же время в [5] указано, что влияющее (псофометрическое) воздействие высших гармоник распространяется до 41-й включительно, а по новым правилам до 67-й включительно.

В этих условиях (в таком диапазоне) искажения амплитуды и фазы гармоник, вносимые усилителем, контуром экранирующий провод-земля, датчиком тягового тока, существенно снижают защитное действие устройства-аналога по указанным выше причинам.

В качестве прототипа принято устройство для снижения электромагнитных влияний на линии связи (а.с. 1678664, БИ 1991, 35).

Оно содержит датчик тягового тока, расположенный на влияющей контактной сети, узел обработки сигнала, регулируемый источник тока. Узел обработки сигнала состоит из селектора тягового тока, фазосдвигающего блока, блока масштабных усилителей, смесителя и блока регуляторов сдвига фазы. Причем указанные блоки узла обработки сигнала выполнены многоканальными. Селектор тягового тока выполнен в виде набора избирательных фильтров, каждый из которых настроен строго на определенную гармонику. Общее число таких фильтров равно числу компенсируемых высших гармоник.

Устройство работает следующим образом.

Ток в контактной сети создает электромагнитное поле, высшие гармоники которого наводят в линии связи электромагнитные помехи. Датчик тока трансформирует и выдает сигнал, соответствующий форме тока в тяговой сети.

Из него селектор тягового тока выделяет те высшие гармоники, которые оказывают электромагнитное влияние на линию связи. Каждая выделенная гармоника сдвигается по фазе фазосдвигающим блоком и формируется по амплитуде в блоке масштабных усилителей. Результирующий сигнал через регулируемый источник тока поступает в защитный экранирующий провод, создавая вокруг последнего свое электромагнитное поле. Особенностью результирующего сигнала является то, что амплитуды всех его гармоник соответствуют амплитудам тех же гармоник тока контактной сети, а их фазы противоположны. В результате электромагнитные поля этих гармоник в контактной сети и проводе компенсируются и помеха в линии связи снижается до любого, изначально заданного уровня.

Структурная схема функционирования системы устройство-прототип - защищаемый объект (линия связи) представлена на фиг.1.

Сигнал помехи связан с управляющим и возмущающим воздействием следующей зависимостью: X=F(U,Z)
Схема (см.фиг.1) отражает принцип разомкнутого управления. Отсутствие в данной схеме блока задатчика программы также предусматривается данным принципом, если алгоритм функционирования устройства закладывается при проектировании системы. При проектировании устройства-прототипа, зная амплитудные и фазовые погрешности, вносимые различными элементами устройства-прототипа, можно заранее внести в схему поправочные коэффициенты на эти погрешности. Таким образом, устройство-прототип построено по принципу разомкнутого управления.

Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования, и, следовательно, не контролируется другими факторами: возмущением и выходными координатами процесса. Прохождение сигнала во всех элементах системы устройство-прототип - защищаемая линия осуществляется в одном направлении: от входа к выходу.

Недостаток известного устройства-прототипа заключается в том, что оно не обеспечивает необходимого уровня подавления помех. Это объясняется тем, что в устройстве-прототипе не предусматривается обратная связь. При сбое в работе устройства-прототипа, а также при изменении параметров контура защитный провод - земля, это приводит к опасности недокомпенсации или перекомпенсации. Т. о., в таких критических режимах устройство перестает отвечать своей основной функции: снижение электромагнитных влияний на смежные с тяговой сетью линии связи.

Задача, решаемая изобретением, - повышение защитного действия на смежные с тяговой сетью линии связи путем формирования компенсирующего тока с помощью отрицательной обратной связи по параметрам компенсирующего поля.

Заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что с помощью обратной связи формируемой по параметрам компенсирующего поля, стабилизируют режим компенсации при внешних воздействиях и сбоях устройства.

Заявляемое устройство (фиг. 2) содержит датчик 2, расположенный между влияющей подвеской и обратным проводом, подключенный своим выходом к входу селектора тягового тока, узел обработки сигнала3, канал обратной связи 10. При этом выход каждого избирательного фильтра-селектора влияющего тока 4 соединен с соответствующим информационным входом каждого из фазосдвигающих элементов блока 5 первого блока фазосдвигающих элементов. К каждому из управляющих входов первого блока фазосдвигающих элементов подключен соответствующий регулятор сдвига фазы первого блока регуляторов сдвига фазы 6, а выход каждого из фазосдвигающих элементов блока 5 подключен к соответствующему входу масштабного усилителя первого блока масштабных усилителей 7. Выходы всех масштабных усилителей блока 7 подключены к части входов смесителя 8, к второй части входов которого подключены выходы всех масштабных усилителей второго блока масштабных усилителей 15. Второй блок фазосдвигающих элементов 13, второй блок регуляторов сдвига фазы 14, второй блок масштабных усилителей 15, а также датчик 11 гармонических составляющих компенсирующего тока экранирующего провода 16 и связи между ними идентичны блокам 5, 6, 7, 2 - соответственно. Выход смесителя 8 связан с управляющим входом регулируемого источника тока 9, включенного в рассечку на одном из концов экранирующего провода 15, заземленного по концам и находящегося между контактной сетью 1 и подверженной влиянию линией 16.

По сравнению с устройством-прототипом заявляемое устройство дополнительно содержит функциональную цепочку, состоящую из блоков 11, 12, 13, 14 и 15. Данные блоки образуют канал отрицательной обратной связи по параметрам компенсирующего тока в обратном проводе, стабилизирующий работу устройства относительно его устойчивости.

Устройство работает следующим образом. Датчик гармонических составляющих влияющего тока контактной сети 2, расположенный между контактной сетью и обратным проводом, трансформирует и подает в блок 3 сигнал, соответствующий форме создающего электромагнитную помеху тока контактной сети. Из сигнала, полученного таким образом, селектор 3 выделяет высшие гармонические составляющие, оказывающие наибольшее псофометрическое воздействие на линию 16. Каждая выделенная гармоника корректируется по фазе и амплитуде в блоках 5 и 7 соответственно.

Вторым датчиком 11 сигнал, пропорциональный компенсирующему току в обратном проводе, трансформируется и подается в блок 12, где отделяется от помехи и разделяется на гармонические составляющие, которые корректируются по фазе и амплитуде в блоках 13, 14, 15.

Особенностью в работе заявляемого устройства является то, что при отсутствии каких-либо нарушений в работе устройства и при отсутствии внешних факторов, вызывающих такие нарушения, канал обратной связи, образованный блоками 11, 12, 13, 14, 15, не работает. Это достигается соответствующим подбором фаз и коэффициентов усиления в блоках 13, 14 и 15. Однако при нарушении в работе устройства сигнал ошибки поступит с выхода устройства на сумматор 8 с обратным знаком, что вызовет его уменьшение. Таким образом, работа устройства стабилизируется за счет отрицательной обратной связи.

Положительный эффект по сравнению с устройством-прототипом заключается в повышении защитного действия при работе устройства в любом расширенном диапазоне гармонических составляющих тока контактной сети.

Источники информации
1. K-Г. Марквардт. Энергоснабжение электрических железных дорог. М.: Транспорт, 1965, с.445-446.

2. А.С. 1400922, БИ 21, 1988, М.кл. 4 В 60 М 3/00.

3. Цыкин Г.С. Усилители электрических сигналов. Москва-Ленинград. Государственное энергетическое издательство, 1962, с.19-20.

4. Булычев А.В. и Ванин В.К. Исследование частотных характеристик трансформатора тока. Минск. Известия высших учебных заведений Министерства высшего и среднего образования СССР. "Энергетика" 1987.

5. Правила зашиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияний тяговой сети электрических железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1973.

Изобретение относится к оборудованию электрифицированных железных дорог. Устройство содержит датчик гармонических составляющих тягового тока и узел обработки сигнала с n-звенным блоком фазосдвигающих элементов, подключенным информационными входами к соответствующим выходам селектора тягового тока, а управляющими входами - к соответствующим выходам первого n-звенного блока регуляторов сдвига фазы, первым n-звенным блоком масштабных усилителей с коэффициентами масштабирования Км(комп), подключенным входами к соответствующим выходам первого блока фазосдвигающих элементов, и смесителем. В устройство входит также регулируемый источник тока, связанный управляющим входом с выходом смесителя и включенный в рассечку заземленного по концам экранирующего провода, находящегося между контактной сетью и подверженной влиянию линией. В отличие от известных устройство снабжено каналом обратной связи с датчиком гармонических составляющих компенсирующего тока экранирующего провода, вторым n-звенным селектором компенсирующего тока, n-звенным блоком регуляторов сдвига фазы, вторым n-звенным блоком фазосдвигающих элементов и вторым n-звенным блоком масштабных усилителей с коэффициентами масштабирования Км(ос). При этом коэффициенты масштабирования для блоков масштабных усилителей выбраны в соответствии с соотношением Км(комп)-Км(ос)= 1. Устройство обеспечивает повышенное защитное действие, которое достигается в любом расширенном диапазоне гармоник тока контактной сети путем формирования компенсирующего тока с помощью отрицательной обратной связи по параметрам компенсирующего тока. 2 ил.

Устройство для активного снижения помех в линиях связи, смежных с электрифицированными участками, содержащее датчик гармонических составляющих тягового тока, расположенный на влияющей контактной сети, узел обработки сигнала с n-звенным блоком фазосдвигающих элементов, подключенным информационными входами к соответствующим выходам селектора тягового тока, а управляющими входами - к соответствующим выходам первого n-звенного блока регуляторов сдвига фазы, первым n-звенным блоком масштабных усилителей с коэффициентами масштабирования Км(комп), подключенным входами к соответствующим выходам первого блока фазосдвигающих элементов, и смесителем, подключенным первой группой входов к соответствующим выходам первого блока масштабных усилителей, а также регулируемый источник тока, связанный управляющим входом с выходом смесителя и включенный в рассечку заземленного по концам экранирующего провода, находящегося между контактной сетью и подверженной влиянию линией, отличающееся тем, что оно снабжено каналом обратной связи с датчиком гармонических составляющих компенсирующего тока экранирующего провода, n-звенным селектором компенсирующего тока, вторым n-звенным блоком регуляторов сдвига фазы, вторым n-звенным блоком фазосдвигающих элементов и вторым n-звенным блоком масштабных усилителей с коэффициентами масштабирования Км(ос), при этом датчик гармонических составляющих компенсирующего тока и селектор компенсирующего тока включены последовательно, выходы селектора компенсирующего тока и второго блока регуляторов сдвига фазы соединены с соответствующими входами второго блока фазосдвигающих элементов, выходы которого через второй блок масштабных усилителей подключены к соответствующим входам второй группы входов смесителя, а коэффициенты масштабирования в блоках масштабных усилителей выбраны в соответствии с соотношением
Км(комп)-Км(ос)=1.